一種高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器的制造方法
【專利摘要】一種高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器，涉及光纖光柵傳感器的【技術(shù)領(lǐng)域】。本實用新型在商業(yè)光纖的中段設(shè)置光纖光柵，商業(yè)光纖的外周設(shè)置套管、編織纖維套層、封裝結(jié)構(gòu)，商業(yè)光纖與套管之間通過套管內(nèi)固定點固定；套管內(nèi)固定點與編織纖維套層之間分別設(shè)置錨固段；商業(yè)光纖的兩端依次連接錨固段光纖、連接光纖，連接光纖的末端通過連接法蘭連接傳輸光纜。本實用新型提高了光纖光柵傳感器在土建交通工程領(lǐng)域應(yīng)用的適用性和耐久性，為土建交通領(lǐng)域大型工程結(jié)構(gòu)的長期檢測和健康監(jiān)測提供一種穩(wěn)定可靠的裝置。
【專利說明】一種高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及光纖光柵傳感器的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)作為提高大型土木交通工程結(jié)構(gòu)安全性能、防災(zāi)減災(zāi)能力、管養(yǎng)智能化水平的一種重要技術(shù)，已引起了廣泛的重視。自上個世紀(jì)90年代以來，該技術(shù)在美國、歐洲及亞洲的日本、中國和韓國得到廣泛的研究并在實際工程上得以應(yīng)用，目前我國新建大型橋梁結(jié)構(gòu)都不同程度的安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。
[0003]然而，目前土建交通基礎(chǔ)設(shè)施等大型工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳感技術(shù)多數(shù)是早期應(yīng)用于航天航空、軍事及精密機(jī)械等方面的傳感技術(shù)，甚至多數(shù)結(jié)構(gòu)損傷識別理論也是針對均質(zhì)、小型結(jié)構(gòu)而并非大型的土建交通等工程結(jié)構(gòu)而開發(fā)的。傳統(tǒng)傳感器耐久性差，數(shù)據(jù)傳遞受干擾大，只適用于短期、小范圍的檢測，不適合埋入式的長期實時監(jiān)測，難以滿足長期檢測及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。
[0004]目前大型橋梁、隧道等工程結(jié)構(gòu)上還多以“點”式檢測為主(應(yīng)變片、加速度計、GPS等)，而且傳統(tǒng)傳感器的價格較高不適合大范圍的分布布設(shè)。對于主體為鋼筋混凝土的大型土建交通工程結(jié)構(gòu)，局部檢測很難捕捉到結(jié)構(gòu)的損傷信息。如，對于比較小的損傷如果應(yīng)變片或加速度計等布置位置離真實損傷較遠(yuǎn)，則這些傳感器很難監(jiān)測到損傷信息，如果應(yīng)變片等布置在裂縫等損傷上，則傳感器很容易被破壞。而且，對于動態(tài)測量，基于“點式”動態(tài)測量的識別方法很難反映結(jié)構(gòu)的整體性態(tài)，很難有效捕捉到結(jié)構(gòu)事先不可預(yù)知的損傷。
[0005]針對當(dāng)前“點式”傳感器在大型土建交通工程中應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，東南大學(xué)吳智深教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組開展了“點式”傳感器長標(biāo)距化技術(shù)研究。專利文獻(xiàn)(ZL200610097290.1)公開了一種分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵傳感器，米用了纖維復(fù)合材料封裝，使光纖布拉格光柵傳感器具有分布傳感功能，實現(xiàn)了增敏和溫度自補(bǔ)償。但，傳感器的長期監(jiān)測穩(wěn)定性及耐久性有待進(jìn)一步提高，且沒有考慮錨固段的預(yù)張拉滑移問題。用于土建交通等大型工程結(jié)構(gòu)長期檢測和健康監(jiān)測的傳感器需要有良好的長期測量穩(wěn)定性和耐久性，然而當(dāng)前常用的傳感器較難滿足土建交通工程領(lǐng)域長期檢測的性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型目的是提供一種能夠解決傳統(tǒng)光纖光柵傳感器在惡劣環(huán)境下長期檢/監(jiān)測穩(wěn)定性與耐久差等問題，并克服光纖光柵傳感器測量過程中存在的纖芯與包覆層存在的滑移問題，提高光纖光柵傳感器在土建交通工程領(lǐng)域應(yīng)用的適用性和耐久性，為土建交通領(lǐng)域大型工程結(jié)構(gòu)的長期檢測和健康監(jiān)測提供一種穩(wěn)定可靠的高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器。
[0007]本實用新型為了實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器，包括自內(nèi)往外依次布置的纖芯、保護(hù)層、涂覆層，所述纖芯為商業(yè)光纖，商業(yè)光纖的中段設(shè)置光纖光柵，商業(yè)光纖的外周設(shè)置由套管、編織纖維套層、封裝結(jié)構(gòu)組成的保護(hù)層，商業(yè)光纖與套管之間通過套管內(nèi)固定點固定；套管內(nèi)固定點與編織纖維套層之間分別設(shè)置錨固段；商業(yè)光纖的兩端依次連接錨固段光纖、連接光纖，連接光纖的末端通過連接法蘭連接傳輸光纜。
[0009]一種高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0010]選取:首先以光纖光柵為中心向兩邊分別量取一半傳感標(biāo)距長度￡/2，確定標(biāo)距長度為AB，利用光纖涂覆層剝除及封裝裝置剝除該段光纖的包覆層，用丙酮或乙醇進(jìn)行清洗后利用高模量材料進(jìn)行再封裝；然后，通過穿套管裝置在傳感標(biāo)距長度￡上穿過套管，用
高彈性模量的膠將光纖光柵傳感器的兩端固定在套管的A與B兩端，固定長度為^ ；
[0011]制造:將單個長壽命高精度長標(biāo)距光纖光柵傳感器進(jìn)行熔接，形成串聯(lián)連接，將分布熔接串聯(lián)光柵的光纖或分布刻寫光柵的光纖纏繞在軸筒上，以備分布式光纖傳感器的連續(xù)封裝；
[0012]在牽引及產(chǎn)品收集裝置的牽引下，軸筒自動將串聯(lián)了光纖光柵的光纖按一定速度放光纖；在光纖包覆層剝除及封裝裝置處，自動除去套管內(nèi)固定點及錨固段處的涂覆層，同時進(jìn)行抗滑移封裝；在穿套管裝置處，進(jìn)行套管安裝，每個套管的長度為認(rèn)+ 2/?),通過光
纖張拉應(yīng)變控制裝置控制光纖的拉伸應(yīng)變，用光纖套管內(nèi)固定裝置將光纖的兩端固定在套管上；封裝用纖維通過紗軸放線，然后在編織機(jī)處對套管及商業(yè)光纖外面單向或雙向編織纖維套層，通過錨固段樹脂浸潰機(jī)用環(huán)氧樹脂對錨固段進(jìn)行浸潰，用環(huán)氧樹脂對其他部分進(jìn)行浸潰；通過烘干裝置在真空環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并在長標(biāo)距傳感器的兩端熔接上光纜和收集在牽引及產(chǎn)品收集裝置上備用；整個過程通過智能生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制。
[0013]本實用新型對錨固段進(jìn)行浸潰的環(huán)氧樹脂中添加了質(zhì)量百分比為0.05-5%抗老化劑和0.5-20%增強(qiáng)相，對其他部分進(jìn)行浸潰的環(huán)氧樹脂中添加了質(zhì)量百分比為0.05-5%抗老化劑。
[0014]比較好的是，本實用新型的抗老化劑由苯并三唑類、苯酮類、受阻酚類、受阻胺類、三嗪類及水楊酸酯類中的一種或幾種混合組成，增強(qiáng)相為炭黑、納米碳管、陶瓷顆粒、金屬顆粒及金屬氧化物顆粒的一種或幾種混合組成。
[0015]比較好的是，本實用新型的套管選取直徑為0.2-2.0mm的毛細(xì)玻璃管、細(xì)金屬管或高性能聚合物管中的一種。
[0016]本實用新型的長壽命高精度長標(biāo)距光纖光柵傳感器通過特殊的纖維復(fù)合材料封裝設(shè)計實現(xiàn)其在惡劣及暴露環(huán)境下長期檢/監(jiān)測的穩(wěn)定性和長壽命化；其中，在封裝復(fù)合材料的基體樹脂中加入抗老化劑，以提高其在光照射、溫度及濕度變化等條件下的抗老化性能與耐久性；為減小甚至避免測量過程中存在的纖芯與包覆層存在的滑移問題，在錨固段采用高彈性模量和 高剛度的樹脂基體，并在封裝時除去錨固段光纖的低彈模樹脂包覆層；同時，為使光纖光柵傳感器具有區(qū)域傳感功能，在光纖光柵外套一段長度為標(biāo)距長的套管，確保套管內(nèi)的光纖處于自由變形狀態(tài)并形成均勻的應(yīng)變場，另外多個長標(biāo)距光纖光柵傳感器可以進(jìn)行串聯(lián)形成分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感器。為此需要解決下面三方面的問題:
[0017]I)長壽命的實現(xiàn)，由于樹脂是高分子材料，在土建交通等粗放與暴露環(huán)境下經(jīng)日曬雨淋容易出現(xiàn)老化，嚴(yán)重影響長期測量的精度和穩(wěn)定性，本實用新型專利采用了在浸潰樹脂中添加了抗老化劑，由苯并三唑類、苯酮類、受阻酚類、受阻胺類、三嗪類及水楊酸酯類中的一種或幾種混合組成，極大提高了長標(biāo)距光纖光柵傳感器的壽命和長期穩(wěn)定性；另外，可選擇采用具有對248nm激光透明涂敷層的光纖進(jìn)行光柵制作，通過高功率準(zhǔn)分子激光器脈沖光，可在不剝離涂敷層情況下制作出光纖光柵，一方面能有效提高光柵抗破壞性能，另一方面可實現(xiàn)光柵的耐水、抗潮性能，進(jìn)一步提高其壽命與穩(wěn)定性。
[0018]2)長標(biāo)距傳感的實現(xiàn)，其技術(shù)關(guān)鍵是自由封裝套管的使用，在包括光纖光柵在內(nèi)的長標(biāo)距傳感段用套管穿過，套管的內(nèi)壁要均勻光滑，與光纖的摩擦系數(shù)小，使長標(biāo)距傳感段內(nèi)的光纖可自由移動，受力后形成均勻的應(yīng)變場；根據(jù)實際工程需求，自由封裝套管通常選用聚合物套管及金屬套管，也可選擇使用毛細(xì)玻璃套管；
[0019]3)防滑移處理，主要采取了兩種措施，一是除去錨固段光纖的包覆層，二是采用彈性模量高的樹脂進(jìn)行纖維復(fù)合材料封裝，大幅提高光纖與封裝復(fù)合材料的界面模量。
[0020]此外，在制作過程中對光纖光柵進(jìn)行一定的預(yù)張拉，以使光纖光柵處于拉伸狀態(tài)，同時可以對壓應(yīng)變進(jìn)行測量。預(yù)張拉應(yīng)變的大小可以根據(jù)測量壓應(yīng)變的大小而定，通常情況下為了避免長期預(yù)張拉狀態(tài)下的光纖可能存在的滑移，預(yù)張拉應(yīng)變一般小于300 μ ε。
[0021]封裝后的長標(biāo)距光纖光柵傳感器可以進(jìn)行串聯(lián)，實現(xiàn)分布式長期檢/監(jiān)測。長標(biāo)距傳感器可以與普通光纜進(jìn)行熔接，通過光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。封裝后的長標(biāo)距傳感器抗老化、抗腐蝕性能優(yōu)良，可以在土建交通工程結(jié)構(gòu)的表面粘貼或埋入結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期檢測和健康監(jiān)測，具有優(yōu)良的測量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
[0022]蒸汽及水對光纖光柵傳感器的長期測量性能影響大，因而在長標(biāo)距光纖光柵傳感器制作過程中應(yīng)對套管兩端進(jìn)行嚴(yán)格的密封，防止水和蒸汽進(jìn)入。
[0023]本實用新型采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0024]I)長壽命。由于采用了纖維材料和改性樹脂(抗老化、高強(qiáng)韌性)進(jìn)行封裝，傳感器的耐久性和長期測量穩(wěn)定性得到了根本性的提高，適合土建交通工程結(jié)構(gòu)在暴露及嚴(yán)酷環(huán)境下的長期檢測和健康監(jiān)測。
[0025]2)高測量準(zhǔn)確性和精度。針對影響傳感器測量準(zhǔn)確性的光纖滑移現(xiàn)象，采用除去光纖錨固段涂覆層、加長錨固段及提高錨固段樹脂彈性模量與強(qiáng)韌性等技術(shù)手段，極大改善了光纖的滑移，從而提高了測量的準(zhǔn)確性和精度。
[0026]3)長標(biāo)距傳感。采用長標(biāo)距傳感技術(shù)，可以得到大型土建交通工程結(jié)構(gòu)一定區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)變，可以避免混凝土結(jié)構(gòu)因裂縫等因素引起的應(yīng)力集中對監(jiān)測結(jié)果引起的影響，測量結(jié)果更能反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特征。
[0027]4)分布式傳感?？梢詫㈤L標(biāo)距光纖光柵傳感器進(jìn)行串聯(lián)測量，盡可能廣的覆蓋大型土建交通工程結(jié)構(gòu)較大范圍，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體監(jiān)測，同時可以通過長標(biāo)距分布應(yīng)變獲得大型結(jié)構(gòu)的變形分布、轉(zhuǎn)角等信息，適合大型土木交通工程結(jié)構(gòu)的檢/監(jiān)測。
[0028]5)多功能性。長標(biāo)距光纖光柵傳感器可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)檢/監(jiān)測、整體和局部檢/監(jiān)測，同時能獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、變形、曲率、頻率、模態(tài)、振型等綜合性參數(shù)信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為常用商用光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2為基本型高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。[0031]圖3為填充型高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖4為增敏型高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5為抗老化樹脂的示意圖。
[0034]圖6為抗老化增強(qiáng)樹脂的示意圖。
[0035]圖7為分布式高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖8為分布式高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器制作工藝的示意圖。
[0037]圖中:1、纖芯；2、保護(hù)層；3、涂覆層；4、光纖光柵；5、商業(yè)光纖；6、封裝結(jié)構(gòu)；7、套管；8、纖維套層；9、抗老化樹脂；10、填充介質(zhì)；11、套管內(nèi)固定點；12、錨固段；13、錨固段光纖；14、抗老化增強(qiáng)樹脂；15、連接光纖；16、傳輸光纜；17、連接法蘭；18_增敏封裝段；19、樹脂；20、抗老化劑；21、增強(qiáng)相；22、單個區(qū)域光纖光柵傳感器；23、軸筒；24、光纖包覆層剝除及封裝裝置；25、穿套管裝置；26、光纖套管內(nèi)固定裝置；27、光纖張拉應(yīng)變控制裝置；28、紗軸；29、纖維；30、編織機(jī)；31、錨固段樹脂浸潰機(jī)；32、樹脂浸潰機(jī)；33、烘干裝置；34、牽引及產(chǎn)品收集裝置；35、智能生產(chǎn)控制系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0039]根據(jù)傳感器的用途、測量精度分為三種類型，基本型、填充型和增敏型高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器。
[0040]基本型光纖光柵傳感器，如圖2所示，包括長度為￡的商業(yè)光纖5，商業(yè)光纖5的中段設(shè)置光纖光柵4，商業(yè)光纖5的外周設(shè)置套管7、編織纖維套層8、封裝結(jié)構(gòu)6，商業(yè)光纖5與套管7之間通過厚度為4的套管內(nèi)固定點11固定；套管內(nèi)固定點11與編織纖維套層8
之間分別設(shè)置厚度為4的錨固段12 ;商業(yè)光纖5的兩端依次連接錨固段光纖13、連接光纖
15，連接光纖15的末端通過連接法蘭17連接傳輸光纜16。
[0041]其制作工藝主要包括如下步驟:
[0042]第一步、確定傳感標(biāo)距長度￡，除去傳感標(biāo)距段兩端套管內(nèi)錨固點11和錨固段12長度為4+4光纖的涂覆層，并對光纖進(jìn)行清洗；
[0043]第二步、對除去包覆層的錨固段光纖13進(jìn)行封裝保護(hù)，封裝時要使保護(hù)層及界面的彈模與纖芯的彈模相匹配，一方面可降低測量過程中滑移對測量精度的影響，另一方面對除去包覆層的光纖進(jìn)行保護(hù)；
[0044]第三步、將商業(yè)光纖5固定在套管7的兩端，固定時施加一定的預(yù)應(yīng)力以確保制作過程中光纖處于伸直狀態(tài)并能滿足壓應(yīng)變測量需求；
[0045]第四步、用編織機(jī)30在套管7、錨固段光纖13及連接光纖15的外圍自動編織纖維套層8，纖維29可選用玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維等纖維材料；
[0046]第五步、用抗老化增強(qiáng)樹脂14對長標(biāo)距光纖光柵傳感器的錨固段12進(jìn)行全面浸潰；
[0047]第六步、用抗老化樹脂9對長標(biāo)距光纖光柵傳感器的封裝結(jié)構(gòu)6及連接光纖15進(jìn)行全面浸潰；
[0048]第七步、對用樹脂浸潰后的長標(biāo)距光纖光柵傳感器進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并連接傳輸光纜16。[0049]用于潮濕、振動大等嚴(yán)酷環(huán)境的填充型光纖光柵傳感器，如圖3所示。與基本型光纖光柵傳感器相比，主要區(qū)別為套管7內(nèi)充入填充介質(zhì)，制作工藝主要區(qū)別在于第三步，即在將連接光纖5固定在套管7兩端時，在套管內(nèi)充入填充介質(zhì)10后嚴(yán)格密封；介質(zhì)可以為惰性氣體或油脂類液體，如二氧化碳、氮氣、潤滑油脂等。填充型傳感器主要針對地下工程等潮濕和嚴(yán)酷環(huán)境下應(yīng)用，能夠有效防止水及蒸汽進(jìn)入套管而影響傳感器的壽命及測量精度；另外，充入油脂后可有效緩沖并降低由于外界振動對光纖光柵傳感器測量誤差的影響，適合于傳感標(biāo)距較長的使用情況。
[0050]增敏型光纖光柵傳感器，如圖4所示。與基本型與填充型光纖光柵傳感器相比，其主要區(qū)別在于套管7內(nèi)的光纖有增敏封裝段18。其制作工藝主要包括如下步驟:
[0051]第一步、確定傳感標(biāo)距長度￡及增敏系數(shù)，根據(jù)增敏系數(shù)確定增敏封裝的長度?3，
除去傳感標(biāo)距段兩端套管內(nèi)錨固點11、錨固段12和增敏封裝段18長度為匕-1-V丨Λ光纖的涂覆層，并對光纖進(jìn)行清洗；
[0052]第二步、對除去包覆層的錨固段光纖13進(jìn)行封裝保護(hù)，封裝時要使保護(hù)層及界面的彈模與纖芯的彈模相匹配，一方面可降低測量過程中滑移對測量精度的影響，另一方面對除去包覆層的光纖進(jìn)行保護(hù)；
[0053]第三步、根據(jù)增敏系數(shù)，確定增敏封裝段長度及增敏封裝材料，用高模量的材料對增敏封裝段18進(jìn)行封裝，提高該段的剛度，使傳感器受力后變形能均勻的集中在光纖光柵附近￡-2/3 ；
[0054]第四步、將連接光纖5固定在套管7的兩端，固定時施加一定的預(yù)應(yīng)力以確保制作過程中光纖處于伸直狀態(tài)并能滿足壓應(yīng)變測量需求；
[0055]第五步、用編織機(jī)30在套管7、錨固段光纖13及連接光纖15的外圍自動編織纖維套層8，纖維29可選用玄武巖·纖維、高性能玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維等纖維材料；
[0056]第六步、用抗老化增強(qiáng)樹脂14對長標(biāo)距光纖光柵傳感器的錨固段12進(jìn)行全面浸潰；
[0057]第七步、用抗老化樹脂9對長標(biāo)距光纖光柵傳感器的長標(biāo)距傳感段6及連接光纖15進(jìn)行全面浸潰；
[0058]第八步、對用樹脂浸潰后的長標(biāo)距光纖光柵傳感器進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并連接傳輸光纜16。
[0059]高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器制作用樹脂設(shè)計:
[0060]樹脂是決定長標(biāo)距光纖光柵傳感器壽命和精度的一個主要因素，在高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器制作中選用兩類改性樹脂。
[0061]一類是抗老化樹脂9，如圖5所示，即在樹脂19中添加抗老化劑20，抗老化劑由苯并三唑類、苯酮類、受阻酚類、受阻胺類、三嗪類及水楊酸酯類中的一種或幾種混合組成，質(zhì)量百分比添加量通常在0.05-5% ;主要用于封裝結(jié)構(gòu)6和連接光纖15等部分的封裝。另一類是抗老化增強(qiáng)樹脂14，如圖6所示，即在樹脂19中添加了抗老化劑20和增強(qiáng)相21，抗老化劑與抗老化樹脂9中的抗老化劑種類及質(zhì)量百分比含量相同；所添加的增強(qiáng)相21為炭黑、納米碳管、陶瓷顆粒、金屬顆粒及金屬氧化物顆粒的一種或幾種混合組成，添加的質(zhì)量百分比為0.5-20%。樹脂19主要為環(huán)氧類樹脂，對于標(biāo)距較長的傳感器可以選用固化后呈柔軟狀的環(huán)氧樹脂，以便用產(chǎn)品的運(yùn)輸和安裝。[0062]分布式傳感器設(shè)計:
[0063]分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感器是由多個長標(biāo)距光纖光柵傳感器串聯(lián)而成，通常有兩種方式實現(xiàn)其分布式傳感，如圖7所示。
[0064]一是，將制備的單個長標(biāo)距光纖光柵傳感器用光纜進(jìn)行串聯(lián)連接，然后在被測工程結(jié)構(gòu)上分布式布設(shè)。
[0065]二是，一體化封裝制作，與單個長標(biāo)距光纖光柵傳感器制作基本相同，主要制作步驟如下:
[0066]第一步、在封裝前將光纖光柵傳感器用光纖進(jìn)行串聯(lián)連接，根據(jù)測量需要預(yù)留好光纖光柵傳感器之間的距離；
[0067]第二步、分段除去每個長標(biāo)距傳感器套管內(nèi)固定點11和兩端錨固段的包覆層并進(jìn)行清洗，兩相鄰長標(biāo)距傳感器可以共用之間的錨固段，但要確保錨固段的長度;對于增敏型長標(biāo)距光纖光柵傳感器，同時需要除去增敏封裝段18光纖的包覆層；
[0068]第三步、對串聯(lián)的每個光纖光柵傳感器穿過長度為的套管7，確保傳感標(biāo)距
長度為￡套管可以選用聚合物套、金屬套管或毛細(xì)玻璃套管等，套管的內(nèi)徑一般為光纖直徑的2-3倍；
[0069]第四步、在預(yù)張拉的情況下將光纖光柵傳感器固定在每個傳感器的套管兩端，固
定長度為4，預(yù)張拉應(yīng)變的大小在確保光纖光柵傳感器伸直的基礎(chǔ)上根據(jù)所要監(jiān)測壓應(yīng)變
的大小確定，確保套管兩端的嚴(yán)格密封；對于填充型長標(biāo)距光纖光柵傳感器，在套管7兩端固定商業(yè)光纖5時在套管內(nèi)充`入填充介質(zhì)，填充介質(zhì)可以為二氧化碳、氮氣等惰性氣體或油脂類液體。
[0070]第五步、在編織機(jī)上，在串聯(lián)光纖光柵傳感器的外面用纖維材料編制纖維套管，套管可以進(jìn)行單向編織也可進(jìn)行雙向編織；
[0071]第六步、在錨固段I1和其他部分(￡及連接段)分別用抗老化增強(qiáng)樹脂和抗老化樹
脂進(jìn)行浸潰，最后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和連接光纜。
[0072]長標(biāo)距光纖光柵傳感器錨固:
[0073]封裝后的長壽命高精度長標(biāo)距光纖光柵傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的粘結(jié)性能，而且小型輕巧，既便于在土建交通工程結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行安裝布設(shè)，也便于在大型工程結(jié)構(gòu)內(nèi)埋入布設(shè)，不影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。安裝布設(shè)的關(guān)鍵是確保每個長壽命高精度長標(biāo)距光纖光柵傳感器的錨固段12與被測結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行牢固結(jié)合，其余部分粘結(jié)在結(jié)構(gòu)上即可。
[0074]鑒于長標(biāo)距光纖光柵傳感器的特性，提出以下兩種主要安裝布設(shè)方式。
[0075]I)表面布設(shè)
[0076]表面布設(shè)可分為表面全分布式和表面局部分布式布設(shè)。表面全分布式布設(shè):對于大型土建交通工程結(jié)構(gòu)，由于損傷位置及程度存在較大的隨機(jī)性，為對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面監(jiān)測，將長標(biāo)距光纖光柵傳感器沿被測結(jié)構(gòu)物表面用樹脂進(jìn)行全面分布式粘貼。表面局部分布式布設(shè):根據(jù)工程經(jīng)驗和理論分析，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布及可能出現(xiàn)的損傷部位進(jìn)行預(yù)測，在應(yīng)變較大和易出現(xiàn)損傷的位置布設(shè)長標(biāo)距光纖光柵傳感器。
[0077]2)埋入布設(shè)
[0078]對于預(yù)制結(jié)構(gòu)，可以將長標(biāo)距光纖光柵傳感器預(yù)埋入結(jié)構(gòu)，也可分為全分布式埋入布設(shè)和局部分布式埋入布設(shè)。全分布式埋入布設(shè):對于無法具體預(yù)測損傷位置及程度的大型工程結(jié)構(gòu)，將分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感器沿著鋼筋或某方向布設(shè)，然后進(jìn)行混凝土澆筑；或在結(jié)構(gòu)物上開槽，長標(biāo)距傳感器布設(shè)好后用樹脂、膩子等將所開的槽填平。局部分布式埋入布設(shè):根據(jù)工程經(jīng)驗和理論分析，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布及可能出現(xiàn)的損傷部位進(jìn)行預(yù)測，在混凝土澆筑前在相應(yīng)的鋼筋處布設(shè)長標(biāo)距傳感器，然后進(jìn)行混凝土澆筑；或在結(jié)構(gòu)上局部開槽，長標(biāo)距傳感器布設(shè)好后用樹脂、膩子等將所開的槽填平。
[0079]制作時，首先以光纖光柵4為中心向兩邊分別量取一半傳感標(biāo)距長度Z/2，確定
標(biāo)距長度為AB。然后分別向外再量取固定點及錨固長度&+ ?，利用光纖涂覆層剝除及封裝
裝置剝除該段光纖的包覆層，用丙SM或乙醇進(jìn)行清洗后利用高模量材料進(jìn)行再封裝。然后，通過穿套管裝置25在標(biāo)距長度i上穿過套管7，套管的直徑可選取0.2-1.0mm的毛細(xì)玻璃管、金屬管或高性能聚合物管，其中要求套管內(nèi)壁與光纖之間摩擦系數(shù)越小越好以便形成均勻應(yīng)變場，用高彈性模量的膠將光纖光柵傳感器的兩端固定在套管的A與B兩端，固定長
度為I，固定時對光纖適當(dāng)施加預(yù)張拉，在確保光纖伸直的基礎(chǔ)上根據(jù)壓應(yīng)變的測量需求確定施加預(yù)應(yīng)力的大小。
[0080]將單個長壽命高精度長標(biāo)距光纖光柵傳感器進(jìn)行熔接，形成串聯(lián)連接，將分布熔接串聯(lián)光柵的光纖或分布刻寫光柵的光纖纏繞在軸筒23上，以備分布式光纖傳感器的連續(xù)封裝。對于分布刻寫光柵，可以在248nm波長激光透明的特殊涂敷層光纖上刻寫，以避免常規(guī)光纖光柵刻寫前須剝除涂敷層這一弊端，有效提高了傳感器抗破壞性能，同時提高了光纖光柵使用壽命以及耐潮、耐水性能，也可以在普通單模光纖上刻寫。采用在光纖上直接刻寫的優(yōu)點是不需要將單個光纖光柵傳感器通過熔接形成串聯(lián)分布，自然形成串聯(lián)分布，減少了單個光纖光柵的熔接工藝，同時極大降低了測量中的光損和極大提高了光纖的強(qiáng)度。
[0081]長壽命高精度長標(biāo)距光纖光柵傳感器采用流水線封裝作業(yè)，在牽引機(jī)裝置34的牽引下，軸筒23自動將串聯(lián)了光柵4的光纖按一定速度放光纖。在光纖包覆層剝除及封裝裝置24處，自動除去套管內(nèi)固定點11及錨固段12處的涂覆層3，同時進(jìn)行抗滑移封裝。
在穿套管裝置25處,進(jìn)行套管安裝,每個套管的長度為1+? ,根據(jù)不同的使用環(huán)境,套管
可以選擇毛細(xì)玻璃管、金屬管或聚合物管。通過光纖張拉應(yīng)變控制裝置27嚴(yán)格控制光纖的拉伸應(yīng)變，其大小在確保光纖伸直的情況下根據(jù)所測壓應(yīng)變的大小設(shè)定，用光纖套管內(nèi)固定裝置26將光纖的兩端牢固固定在套管7上。封裝用纖維29通過紗軸28放線，然后在編織機(jī)30處對套管7及光纖5外面單向或雙向編織纖維套層，編織用纖維可以選用玄武巖纖維、高性能玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維。通過錨固段樹脂浸潰機(jī)31用添加了質(zhì)量百分比為0.05-5%抗老化劑20和0.5-20%增強(qiáng)相21的環(huán)氧樹脂對錨固段12進(jìn)行浸潰，用添加了質(zhì)量百分比為0.05-5%抗老化劑20的環(huán)氧樹脂對其他部分進(jìn)行浸潰；其中，抗老化劑18由苯并三唑類、苯酮類、受阻酚類、受阻胺類、三嗪類及水楊酸酯類中的一種或幾種混合組成，增強(qiáng)相21為炭黑、納米碳管、陶瓷顆粒、金屬顆粒及金屬氧化物顆粒的一種或幾種混合組成。最后，通過烘干裝置33進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并在長標(biāo)距傳感器的兩端熔接上光纜和收集在產(chǎn)品收集裝置34上備用。整個工藝系統(tǒng)通過智能生產(chǎn)控制系統(tǒng)35進(jìn)行智能化控制。
【權(quán)利要求】
1.一種高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器，其特征在于包括自內(nèi)往外依次布置的纖芯(I)、保護(hù)層(2)、涂覆層(3)，所述纖芯(I)為商業(yè)光纖(5)，商業(yè)光纖(5)的中段設(shè)置光纖光柵(4)，商業(yè)光纖(5)的外周設(shè)置由套管(7)、編織纖維套層(8)、封裝結(jié)構(gòu)(6)組成的保護(hù)層，商業(yè)光纖(5)與套管(7)之間通過套管內(nèi)固定點(11)固定；套管內(nèi)固定點(11)與編織纖維套層(8)之間分別設(shè)置錨固段(12);商業(yè)光纖(5)的兩端依次連接錨固段光纖(13)、連接光纖(15)，連接光纖(15)的末端通過連接法蘭(17)連接傳輸光纜(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器，其特征在于上述套管(7)內(nèi)充入填充介質(zhì)(10);所述填充介質(zhì)(10)為惰性氣體或油脂類液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器，其特征在于上述填充介質(zhì)(10)為二氧化碳或氮氣或潤滑油脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高耐久長標(biāo)距光纖光柵傳感器，其特征在于上述商業(yè)光纖(5 )的外周自兩端向光纖光柵(4 )分別包裹增敏封裝段(18 )。
【文檔編號】G02B6/44GK203642882SQ201320468225
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月2日
【發(fā)明者】楊才千, 吳智深, 孫安, 洪萬, 何一, 吳必濤 申請人:東南大學(xué)